高速公路快速放行提示系統(tǒng)

楊 德,鄧國強(qiáng),暢福善

(1.運(yùn)城學(xué)院 物理與電子工程系，山西 運(yùn)城044000；2.山西國強(qiáng)科技發(fā)展有限責(zé)任公司，山西 運(yùn)城044000)

高速公路的快速發(fā)展大大縮短了省際之間的時(shí)空距離，加快了區(qū)域間人員、商品、技術(shù)、信息的交流，有效降低了生產(chǎn)運(yùn)輸成本。同時(shí),高速公路的速度和便利也已經(jīng)走進(jìn)了平常百姓的生活，正在改變著人們的時(shí)空觀念和生活方式。但由于出口的限制，經(jīng)常會(huì)在高速出口出現(xiàn)擁堵的現(xiàn)象[1]。其內(nèi)在原因主要在兩個(gè)方面，一是收費(fèi)人員與駕駛員之間的交易時(shí)間過長，二是駕駛員沒能事先準(zhǔn)備好費(fèi)用以及沒有快速通過收費(fèi)站的意識(shí)[2]。

為了解決上述問題，設(shè)計(jì)了一套高速公路快速放行提示系統(tǒng)。該系統(tǒng)由傳感器模塊、上位機(jī)模塊、下位機(jī)模塊、語音模塊和顯示模塊組成。地感線圈將采集到的車輛位置通過車輛檢測器報(bào)告給上位機(jī)，上位機(jī)控制語音模塊發(fā)出相應(yīng)語音，同時(shí)將控制命令通過串口發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)接收到控制命令后，控制顯示模塊顯示相應(yīng)信息，并通過并行通信方式控制倒計(jì)時(shí)控制器倒計(jì)時(shí)通行時(shí)間。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及安裝

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高速公路快速放行提示系統(tǒng)按功能分為6個(gè)模塊，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。第1模塊是采集模塊，由3個(gè)地感線圈和1個(gè)紅外對(duì)射探測器組成。1#地感線圈用于判斷車輛駛?cè)?；紅外對(duì)射探測器用以判斷車輛的類型；2#地感線圈用以確定倒計(jì)時(shí)的開始時(shí)間；3#地感線圈用以判斷車輛是否駛出收費(fèi)站。第2模塊是上位機(jī)模塊，該模塊采集地感線圈和紅外對(duì)射探測器的信息，并通過車輛檢測器將線圈信號(hào)轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)，控制語音模塊并發(fā)送串口命令。第3模塊是下位機(jī)模塊，用以接收上位機(jī)通過串口發(fā)送的命令，同時(shí)控制顯示模塊。第4模塊是語音模塊,與上位機(jī)集成在一起，控制音響發(fā)出語音信號(hào)。第5模塊是倒計(jì)時(shí)控制器模塊，與下位機(jī)模塊集成在一起，通過并行通信控制顯示模塊倒計(jì)時(shí)。第6模塊是顯示模塊，安裝在顯示屏背部，用以控制室外顯示屏的顯示信息。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)安裝

系統(tǒng)安裝示意圖如圖2所示。上位機(jī)及相應(yīng)模塊安裝在收費(fèi)亭隱蔽處，并在收費(fèi)亭內(nèi)安裝與室外顯示屏同步的顯示裝置。收費(fèi)亭外壁安裝音響，用以播放相應(yīng)語音；外壁同時(shí)安裝紅外對(duì)射探測器，用以檢測車輛的類型，如果車輛能被檢測到，則為大型車，否則為小型車，以此確定其通行時(shí)間。

圖2 系統(tǒng)安裝示意圖

室外顯示屏安裝在車道的安全島上，下位機(jī)與倒計(jì)時(shí)控制器集成在一起安裝在顯示屏背面，通過顯示接口與顯示屏相連接。1#地感線圈埋在距收費(fèi)亭15 m左右，用以判斷車輛是否駛?cè)胧召M(fèi)站；2#地感線圈埋在收費(fèi)亭處，用以倒計(jì)時(shí)的開始判斷；3#地感線圈埋在收費(fèi)站出口處，用以判斷車輛是否駛離收費(fèi)站。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 上位機(jī)系統(tǒng)硬件

圖3 上位機(jī)硬件設(shè)計(jì)圖

上位機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。1#地感線圈與車輛檢測器1相連，用以感知車輛是否駛?cè)胧召M(fèi)站，并把感知到的信號(hào)送給車輛檢測器1，車輛檢測器1將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娖叫盘?hào)傳送給主控制器；2#地感線圈與車輛檢測器2相連，用以感知車輛交費(fèi)是否開始,并將感知到的信號(hào)送車輛檢測器2，車輛檢測器2將電平信號(hào)傳送給主控制器；3#地感線圈用以感知車輛是否交費(fèi)完成并駛離收費(fèi)站，將感知到的信號(hào)送給車輛檢測器3，車輛檢測器3將電平信號(hào)傳送給主控制器。電源模塊設(shè)計(jì)時(shí)，由于語音模塊采用12 V電源，而單片機(jī)采用5 V電源，因此采用12 V電源直接供電給語音模塊，并將12 V電源通過三端穩(wěn)壓器7805給主控制器供電。為了保證ROM和RAM的容量，采用了STC系列單片機(jī)STC11F32XE[3]作為主控制器芯片，接收車輛檢測器信號(hào)，并控制語音模塊和進(jìn)行串口通信。語音模塊采用專用語音系統(tǒng)，事先將語音信號(hào)通過語音錄制軟件錄入，主控制器通過I/O端口控制播放相應(yīng)語音。串口通信模塊采用RS232[4]實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的通信，用于控制室外顯示屏信息。室內(nèi)顯示器安裝在收費(fèi)亭內(nèi)，用于收費(fèi)員觀察倒計(jì)時(shí)時(shí)間。

2.2 系統(tǒng)下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)如圖4所示。為了設(shè)計(jì)方便將下位機(jī)與倒計(jì)時(shí)控制器集成在一起，并且下位機(jī)主控制器和倒計(jì)時(shí)控制器均采用STC單片機(jī)STC11F32XE作為控制芯片。上位機(jī)通過串口按照通信協(xié)議發(fā)送通信命令，下位機(jī)主控制器接收到命令后,將預(yù)先存儲(chǔ)在EEPROM中的顯示信息通過顯示接口1和顯示接口2傳送給室外顯示屏；同時(shí)，倒計(jì)時(shí)控制器通過并行通信方式控制倒計(jì)時(shí)控制器倒計(jì)時(shí)，并通過顯示接口3控制室外顯示屏同時(shí)顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間。

圖4 下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

上位機(jī)與下位機(jī)主控制器之間的通信是本設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵點(diǎn)之一，為了實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的可靠通信，設(shè)計(jì)了通信協(xié)議。通信協(xié)議格式[5-6]和內(nèi)容如表1所示。

在1#地感線圈觸發(fā)時(shí)，上位機(jī)發(fā)送命令 1，下位機(jī)主控制器通過串口接收到命令并校驗(yàn)正確后，控制室外顯示屏顯示相應(yīng)信息。在2#地感線圈觸發(fā)時(shí)，根據(jù)紅外對(duì)射探測器判斷車輛類型，如果是大型車，則上位機(jī)發(fā)送命令2，下位機(jī)主控制器通過串口接收到命令并校驗(yàn)正確后，控制室外顯示屏顯示相應(yīng)信息和45 s倒計(jì)時(shí)；如果是小型車，則上位機(jī)發(fā)送命令3，下位機(jī)主控制器通過串口接收到命令并校驗(yàn)正確后，控制室外顯示屏顯示相應(yīng)信息和30 s倒計(jì)時(shí)。在3#地感線圈觸發(fā)時(shí)，上位機(jī)發(fā)送命令4，下位機(jī)主控制器通過串口接收到命令并校驗(yàn)正確后，控制室外顯示屏顯示相應(yīng)信息。在收費(fèi)站長時(shí)間沒有車輛通過(一般設(shè)置為5min)，即1#地感線圈長時(shí)間不觸發(fā)時(shí)，上位機(jī)發(fā)送命令5顯示待機(jī)信息，同時(shí)控制器處于待機(jī)狀態(tài)。在需要清除顯示屏信息時(shí)，上位機(jī)發(fā)送命令6，下位機(jī)主控制器通過串口接收到命令并校驗(yàn)正確后，清除室外顯示屏。為了保證上位機(jī)與下位機(jī)之間通信可靠，選擇應(yīng)答方式，在下位機(jī)收到命令后，返回命令7，若上位機(jī)未接收到返回命令，則從新發(fā)送。

表1 通信協(xié)議

下位機(jī)中主控制器與倒計(jì)時(shí)控制器之間采用并行通信的方式，主要目的是通過倒計(jì)時(shí)控制器來控制倒計(jì)時(shí)顯示。并行通信的方式是直接將下位機(jī)主控制器與倒計(jì)時(shí)控制器的4個(gè)I/O口相連，為了保證通信的可靠性，采用了應(yīng)答的方式。由下位機(jī)主控制器3個(gè)I/O口發(fā)送信號(hào)，接收到信號(hào)后，通過第4 I/O口應(yīng)答。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖5 上位機(jī)程序流程圖

上位機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。初始化串口和定時(shí)器，判斷1#地感線圈是否觸發(fā)，如果觸發(fā)則發(fā)送串口命令1同時(shí)開啟定時(shí)器，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，則發(fā)送串口命令5(或 6)顯示待機(jī)信息(或清屏)；判斷紅外對(duì)射探測器信號(hào)以確定車輛的類型，同時(shí)判斷2#地感線圈是否觸發(fā)，若觸發(fā)則發(fā)送串口命令2(或3);判斷3#地感線圈是否觸發(fā),若觸發(fā)則發(fā)送串口命令4。下位機(jī)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。下位機(jī)通過串口中斷接收到上位機(jī)發(fā)送的命令后，根據(jù)不同的命令顯示相應(yīng)信息。例如，當(dāng)接收到串口命令1時(shí)，下位機(jī)控制其I/O端口顯示1#地感線圈的信息。若接收到其他串口命令時(shí)，程序流程與上述流程相同。

本系統(tǒng)采用3片STC單片機(jī)STC11F32XE作為主控制器設(shè)計(jì)了一套快速放行提示系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有自動(dòng)識(shí)別客/貨車類型、車輛駛?cè)胧召M(fèi)站提醒、車輛駛?cè)牒婉偝鰰r(shí)實(shí)現(xiàn)問候和告別、記錄車輛的通過時(shí)間、實(shí)現(xiàn)車輛流量統(tǒng)計(jì)、采用倒計(jì)時(shí)的方式提醒司機(jī)快速通過車道等特點(diǎn)。

本系統(tǒng)已在山西運(yùn)城高速各路口安裝使用，經(jīng)過近半年來的實(shí)際測試和運(yùn)行，系統(tǒng)工作可靠，對(duì)司乘人員與收費(fèi)人員的密切配合和適時(shí)溝通起到了一定的積極作用，減輕了收費(fèi)人員的工作量，特別是對(duì)夜間突然到訪車輛實(shí)現(xiàn)提前提醒，有效提升了通行速度，提高了服務(wù)水平，增加了司乘人員對(duì)收費(fèi)人員的滿意度。

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圖6 下位機(jī)程序流程圖